Homogeneizadores – Principio de funcionamiento, uso y escalado

Los homogeneizadores son un tipo de mezcladores que aplican fuerzas mecánicas para mezclar, emulsionar, dispersar y disolver sistemas líquido-líquido y sólido-líquido. Según el modelo de homogeneizador, se utiliza cizallamiento rotacional, boquillas o ultrasonidos de alta potencia para generar las fuerzas necesarias para desintegrar y fragmentar tanto partículas sólidas como gotas de líquido. ¡Descubra más sobre los homogeneizadores y sus aplicaciones en investigación y producción!

¿Qué es un homogeneizador?

Un homogeneizador es un tipo de equipo de mezcla diseñado para fragmentar partículas, tanto sólidas como líquidas, y obtener una mezcla uniforme. Los homogeneizadores están disponibles como equipos de laboratorio, de sobremesa e industriales, utilizados en diversas aplicaciones de investigación e industria. Las aplicaciones habituales de los homogeneizadores incluyen la mezcla y desintegración de diversos materiales, como partículas, pigmentos, sustancias químicas, plantas, alimentos, células y tejidos, entre otros.

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Descripción general de los distintos tipos de homogeneizadores

Existen diversos tipos de homogeneizadores disponibles comercialmente para aplicaciones de sobremesa y para la producción industrial a gran escala. Sin embargo, los mezcladores de rotor/estátor (coloidales), los homogeneizadores de alta presión y los homogeneizadores ultrasónicos son los modelos más utilizados.
Los mezcladores de impulsor o de cuchillas tienen una cuchilla que gira a alta velocidad en el fondo del recipiente de mezcla, combinando así diversos materiales para obtener una mezcla homogénea.
Como su nombre indica, un mezclador de rotor/estátor tiene un rotor y un estátor. El rotor es un eje metálico que gira a altas velocidades dentro del estátor. El estátor es la pieza metálica que permanece inmóvil. La rotación del rotor crea un efecto de succión que desplaza el material sólido-líquido entre el estátor y el rotor, donde se reduce el tamaño de partícula de los sólidos.
El principio de funcionamiento del homogeneizador de alta presión (HPH) se basa en el uso de una bomba de alta presión y una válvula (boquilla, orificio), lo que hace que el equipo sea grande, pesado y costoso. La suspensión procesada se hace pasar a gran velocidad de flujo por un pequeño orificio, lo que reduce el tamaño de partícula, ya que las partículas deben tener un tamaño suficientemente pequeño para atravesar la válvula. Los HPH son propensos a obstruirse, especialmente cuando se procesan sólidos.
Los homogeneizadores ultrasónicos utilizan las intensas fuerzas de cizallamiento generadas por la cavitación acústica, lo que les confiere diversas ventajas frente a otras técnicas de homogeneización. A continuación se presentan el principio de funcionamiento y las ventajas de la homogeneización ultrasónica.

Ultrasonidos de alta potencia como fuerza de homogeneización

Un homogeneizador ultrasónico utiliza vibraciones ultrasónicas de alta intensidad y cavitación para generar fuerzas de cizallamiento muy intensas, por lo que puede considerarse un mezclador de alto cizallamiento de intensidad extraordinaria. El secreto de estas fuerzas de cizallamiento extraordinariamente intensas es la cavitación acústica, generada por ondas ultrasónicas de alta potencia. Un homogeneizador ultrasónico consta de un generador, que actúa como fuente de alimentación y unidad de control, y un transductor. El transductor contiene cerámicas piezoeléctricas. Estas cerámicas piezoeléctricas convierten la energía eléctrica en oscilaciones, ya que los cristales piezoeléctricos cambian de tamaño y forma cuando se aplica una tensión. Cuando la frecuencia del oscilador electrónico es igual a la frecuencia natural del cuarzo piezoeléctrico, se produce resonancia. En condiciones de resonancia, el cuarzo genera ondas ultrasónicas longitudinales de gran amplitud.
Las ondas ultrasónicas generadas se acoplan después al medio de proceso a través de la sonda ultrasónica (sonotrodo / bocina). La amplitud en la sonda ultrasónica determina la intensidad de las ondas ultrasónicas transmitidas al líquido o a la suspensión. Las ondas ultrasónicas generan ciclos alternos de alta y baja presión en los medios líquidos. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad producen pequeñas burbujas de vacío en el líquido. Durante el ciclo de alta presión, estas pequeñas burbujas de vacío colapsan de forma destructiva. Este fenómeno se denomina cavitación. La implosión de las burbujas de cavitación también puede generar chorros de líquido a velocidades de hasta 280 m/s, que producen potentes fuerzas de cizallamiento. Las fuerzas de cizallamiento fragmentan las partículas, provocan colisiones entre ellas y rompen mecánicamente gotas y células, al tiempo que favorecen una transferencia de masa muy eficiente. Estas fuerzas de cavitación producen dispersiones, emulsiones y suspensiones uniformes y homogéneas, y también favorecen las reacciones químicas (la denominada sonoquímica).

La cavitación acústica (generada por ultrasonidos de alta potencia) crea condiciones extremas a escala local, que dan lugar a los denominados efectos sonomecánicos y sonoquímicos. Debido a estos efectos, la sonicación reduce el tamaño de las partículas sólidas y líquidas y las mezcla para obtener una formulación homogénea.

Ventajas de utilizar sonicadores como homogeneizadores

Los homogeneizadores ultrasónicos ofrecen un rendimiento superior en la producción de suspensiones y soluciones sólido-líquido (las denominadas suspensiones de sólidos) y líquido-líquido. Dado que los ultrasonicadores funcionan según el principio de cavitación ultrasónica, el material debe estar húmedo o en una fase húmeda, ya que la cavitación solo se produce en líquidos. Esto significa que un ultrasonicador no sería muy eficiente para mezclar un polvo seco, pero, en cuanto el polvo se humedece, la sonicación es el método más eficiente para mezclarlo. Los homogeneizadores ultrasónicos son conocidos por su capacidad para mezclar, combinar y dispersar de forma fiable incluso pastas y materiales de alta viscosidad. Las fuerzas extraordinariamente intensas causadas por la implosión de las burbujas de cavitación no solo generan fuerzas de cizallamiento muy potentes, sino también temperaturas y presiones elevadas localizadas, así como sus respectivos diferenciales. Esta combinación de fuerzas físicas fragmenta las partículas hasta tamaños mucho menores que los obtenidos con un homogeneizador convencional. Por ello, los homogeneizadores ultrasónicos son los equipos preferidos para la producción fiable de emulsiones y dispersiones de tamaño nanométrico.

Aplicaciones de los homogeneizadores ultrasónicos

Los homogeneizadores ultrasónicos se utilizan ampliamente en laboratorios e instalaciones industriales para homogeneizar suspensiones sólido-líquido y líquido-líquido, reducir el tamaño de partícula, desintegrar material biológico y extraer sus componentes, intensificar reacciones químicas y disolver compuestos solubles.

Emulsificación ultrasónica

La emulsificación es el proceso de mezclar dos o más líquidos inmiscibles para preparar una mezcla estable o semiestable. En general, estos dos líquidos constituyen una fase oleosa y una fase acuosa (agua). Para estabilizar la mezcla de las distintas fases líquidas, se añade un emulsionante (tensioactivo / cotensioactivo). El tamaño de gota de una emulsión desempeña un papel crucial en su funcionalidad y estabilidad. Dado que los ultrasonidos de alta potencia generan fuerzas sonomecánicas que fragmentan las gotas y las reducen a gotas diminutas, la sonicación es un método muy popular para producir emulsiones con gotas de tamaño micrométrico y nanométrico. Los homogeneizadores ultrasónicos son una herramienta fiable para producir emulsiones O/W y W/O, emulsiones inversas, emulsiones dobles (O/W/O, W/O/W), miniemulsiones y emulsiones Pickering. Gracias a esta flexibilidad y a su capacidad de emulsificación fiable, los homogeneizadores ultrasónicos (también denominados a veces emulsionadores ultrasónicos cuando se utilizan para emulsificar) se emplean, por ejemplo, en las industrias química, alimentaria, farmacéutica y de combustibles para producir emulsiones estables a largo plazo.
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Dispersión ultrasónica

Los homogeneizadores ultrasónicos son muy eficaces cuando es necesario reducir de forma fiable el tamaño de aglomerados, agregados e incluso partículas primarias. La ventaja de los homogeneizadores ultrasónicos es su capacidad para triturar partículas hasta obtener tamaños menores y más uniformes, tanto si el objetivo del proceso son partículas micrométricas como nanométricas. Las fuerzas de cizallamiento de la cavitación y las corrientes de líquido aceleran las partículas, haciendo que colisionen entre sí. Esto se conoce como colisión entre partículas. Las propias partículas actúan como medio de molienda, lo que evita la contaminación por perlas de molienda y el posterior proceso de separación necesario cuando se utilizan molinos de perlas convencionales. Dado que las partículas colisionan entre sí a velocidades muy elevadas, de hasta 280 m/sec, están sometidas a fuerzas extraordinariamente altas que las fragmentan en fracciones diminutas. La fricción y la erosión confieren a estos fragmentos una superficie pulida y una forma uniforme. ¡La combinación de fuerzas de cizallamiento y colisiones entre partículas aporta una ventaja a la homogeneización y dispersión ultrasónicas, al producir suspensiones y dispersiones coloidales muy homogéneas!
La secuencia de imágenes que aparece a continuación muestra las fuerzas de cavitación de los ultrasonidos sobre escamas de grafito.

Una secuencia de fotogramas de alta velocidad (de a a f) que ilustra la exfoliación sonomecánica de una escama de grafito en agua mediante el UP200S, un ultrasonicador de 200 W con sonotrodo de 3-mm. Las flechas indican el punto de separación (exfoliación), con burbujas de cavitación que penetran en la grieta.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersión y homogeneización de nanomateriales

Tanto en emulsiones como en dispersiones, la preparación de mezclas de tamaño nanométrico es una tarea exigente. La mayoría de las técnicas convencionales de homogeneización y mezcla, como los mezcladores de cuchillas, los molinos de perlas, los homogeneizadores de alta presión y otros mezcladores, pueden producir partículas de tamaño micrométrico, pero no pueden reducir de forma fiable gotas y sólidos a tamaños nanométricos. Esto se debe principalmente a una intensidad insuficiente. Por ejemplo, los mezcladores de cuchillas no proporcionan suficiente cizallamiento para fragmentar las partículas hasta un tamaño nanométrico. Los molinos de perlas, otro tipo de homogeneizador, no pueden triturar los sólidos de manera uniforme hasta un tamaño de partícula menor que el de las propias perlas (medios de molienda). Las perlas de molienda convencionales tienen un tamaño medio de entre 1.500 mm y 35.000 mm. Otro problema es la contaminación debida al desgaste del medio de molienda. Dado que los ultrasonicadores proporcionan fuerzas de cizallamiento extraordinariamente altas, pero controlables con precisión, la cavitación ultrasónica es la técnica preferida para la producción fiable de nanodispersiones y nanoemulsiones en instalaciones de laboratorio (I+D), piloto e industriales.

Escalado de los procesos de homogeneización ultrasónica

¡El escalado desde un homogeneizador ultrasónico de laboratorio a un ultrasonicador piloto, y desde un sistema piloto a un homogeneizador ultrasónico de producción a escala industrial, puede realizarse de forma completamente lineal! Todos los parámetros importantes del proceso, como la amplitud, la presión, la temperatura y el tiempo de procesamiento, se mantienen constantes; únicamente se escalan la superficie de la sonda ultrasónica y el ultrasonicador, que aporta la energía para hacer oscilar la sonda, a unidades más grandes y potentes. La escalabilidad lineal de los procesos de homogeneización ultrasónica permite obtener en la producción a gran escala los mismos resultados de alta calidad que en las instalaciones de laboratorio y piloto.

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Hielscher Ultrasonics es su socio con una amplia trayectoria y experiencia en homogeneizadores ultrasónicos. Todos los ultrasonicadores Hielscher se diseñan, fabrican y prueban en nuestra sede en Alemania antes de enviarlos a nuestros clientes de todo el mundo. Los homogeneizadores ultrasónicos Hielscher son equipos de alta calidad caracterizados por un rendimiento elevado y constante, fiabilidad, robustez y facilidad de uso. La sofisticación técnica de la tecnología de homogeneización ultrasónica proporciona a los usuarios de los equipos Hielscher ventajas competitivas que los convierten en líderes del mercado en su sector. Con su amplia gama de productos, que abarca homogeneizadores de laboratorio y de sobremesa, sistemas piloto y homogeneizadores ultrasónicos plenamente industriales para la producción comercial, Hielscher ofrece el sistema de mezcla ultrasónica ideal para sus necesidades. La gran variedad de accesorios permite configurar el homogeneizador ultrasónico de forma óptima – adaptándolo a las necesidades individuales.
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Alta eficiencia con homogeneizadores ultrasónicos

Gracias a su extraordinaria eficiencia de proceso, sus costes de inversión razonables, su altísima eficiencia energética y sus bajos costes de mano de obra y mantenimiento, los homogeneizadores ultrasónicos Hielscher superan a las técnicas convencionales de homogeneización y permiten obtener un rápido RoI (retorno de la inversión). A menudo, un homogeneizador ultrasónico se amortiza en pocos meses.

Ultrasonidos de alta potencia para la homogeneización industrial

La amplitud es el parámetro de proceso más importante en los procesos de homogeneización mediante ultrasonidos. Todos los ultrasonicadores Hielscher permiten controlar la amplitud con precisión. Según el objetivo del proceso, se puede ajustar una amplitud menor para obtener condiciones de procesamiento más suaves o elegir una amplitud alta para obtener resultados de dispersión más destructivos. Los sonicadores industriales Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy altas. Es posible trabajar fácilmente con amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados.

Bajos requisitos de mantenimiento de los homogeneizadores ultrasónicos

Los homogeneizadores ultrasónicos también son fáciles de limpiar, ya que el sonotrodo y el reactor son los únicos componentes mojados que entran en contacto con el material procesado. El sonotrodo (también conocido como bocina o sonda ultrasónica) y el reactor están fabricados en titanio y acero inoxidable, respectivamente, y presentan geometrías limpias, sin orificios ni zonas muertas.
La única pieza sujeta a desgaste es la sonda ultrasónica, que puede sustituirse sin interrumpir significativamente el funcionamiento. El sonotrodo de un ultrasonicador de laboratorio se cambia en aproximadamente 10 min, mientras que cambiar el sonotrodo de un homogeneizador ultrasónico industrial puede llevar aproximadamente 30–45 min.

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La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores: